CN103471801A

CN103471801A - 深埋隧洞冲击地压模拟试验系统及其试验方法

Info

Publication number: CN103471801A
Application number: CN2013104256169A
Authority: CN
Inventors: 王刚; 吴学震; 蒋宇静
Original assignee: Shandong University of Science and Technology
Current assignee: Shandong University of Science and Technology
Priority date: 2013-09-18
Filing date: 2013-09-18
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2033-09-18
Also published as: CN103471801B

Abstract

本发明公开了一种可以使试件在高应力条件下承受冲击荷载，并在试件破坏过程中迅速补充能量，进行大比例尺模型试验的深埋隧洞冲击地压模拟试验系统及其试验方法。其特征在于包括试件加载盒、类梯形试件、加载油缸、液压泵站、底座、反力钢绞线、门式框架、冲击重块和提升装置；所述的试件加载盒，包括U型槽、三棱柱垫块、加载垫块、侧挡板；由于本发明仅取围岩的一部分进行分析，相对于现有全断面模型试验装置，可以开展超大比例尺的模型试验。本发明通过加载油缸和反力钢绞线对试件施加压力，通过冲击重块对试件施加冲击荷载，试件在高应力及冲击扰动条件下破坏，在这个过程中反力钢绞线由于弹性作用瞬间收缩，对试件迅速进行补充加载，较好的模拟了冲击地压的发生条件。

Description

深埋隧洞冲击地压模拟试验系统及其试验方法

技术领域

本发明涉及深部煤矿冲击地压发生规律的研究，特别是涉及一种深埋隧洞冲击地压模拟试验系统及其试验方法。

背景技术

冲击地压是指在煤矿井巷或回采工作面周围，处于高地应力条件下的煤岩体受到顶板断裂或爆破扰动发生破坏，并在破坏过程中受到围岩的进一步快速挤压作用，瞬时释放巨大能量而产生破坏的矿井动力现象。常伴随有巨大的声响、煤岩体被抛向采掘空间和气浪等现象，造成采掘空间中支护设备的破坏以及采掘空间的变形，严重时造成人员伤亡和井巷的毁坏，甚至引起地表塌陷而造成局部地震。

冲击地压是采矿业面临的一个重要问题，严重影响着矿井的安全生产，尤其是在深部开采过程中，煤岩体处于高应力条件下，受到采场上覆岩层断裂扰动，很容易发生冲击地压灾害。研究冲击地压发生规律，不仅要通过理论分析，更要通过室内模拟实验来探索其本质规律。

根据现场观测和理论分析认为，为了在室内模拟冲击地压现象，需满足如下三个必要条件：

Figure 2013104256169100002DEST_PATH_IMAGE001

通过加载，使煤岩体处于高应力状态下；

对高应力条件下的煤岩体施加冲击荷载，以模拟采空区覆岩断裂导致的应力波对巷道的冲击；

Figure 2013104256169100002DEST_PATH_IMAGE003

在煤岩体破坏的过程中迅速进行补充加载，即补充能量，以模拟外部围岩对煤岩体的进一步挤压做功。但是，目前还没有设备能够同时满足上述三个条件，实验室模拟成为冲击地压的研究的瓶颈。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种可以使试件在高应力条件下承受冲击荷载，并在试件破坏过程中迅速补充能量，进行大比例尺模型试验的深埋隧洞冲击地压模拟试验系统及其试验方法。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种深埋隧洞冲击地压模拟试验系统，其特征在于，包括试件加载盒、类梯形试件、加载油缸、液压泵站、底座、反力钢绞线、门式框架、冲击重块和提升装置；

所述的试件加载盒，包括U型槽、三棱柱垫块、加载垫块、侧挡板；U型槽为整体结构，包括底板和两个侧壁；三棱柱垫块两个直角面分别与U型槽的底板和侧壁内表面接触，其斜面倾角与类梯形试件两个斜面倾角匹配；加载垫块下表面为圆弧形与类梯形试件上表面接触，其上半部分向两侧延伸，并在两侧设有竖直通孔以便固定反力钢绞线；侧挡板固定在U型槽的前后两侧，其作用在于防止类梯形试件发生轴向变形，以满足平面应变状态的要求；

所述的类梯形试件，上下表面为同轴圆弧面，左右侧面的延伸线通过上述圆弧面的轴线，前后侧面垂直于水平面，左右侧面与三棱柱垫块斜面接触，前后侧面与侧挡板内表面接触，四个侧面均涂有润滑材料，以减小其受到的剪应力；

所述的加载油缸，一端支撑在底座上，另一端对试件加载盒施加压力；所述的液压泵站与加载油缸相连，为其提供油压；

所述的反力钢绞线，共有两排，其中任意一条的一端固定在底座上，另一端通过卡具固定在试件加载盒的加载垫块上；

所述的冲击重块，用于对岩样试件施加冲击荷载，其重量和高度均可调节，其轴心与加载垫块中心在同一条竖直线上；

所述的提升装置，固定在门式框架上，用于提起和释放冲击重块。

本发明还可以包括荷载和位移测量单元，如应力传感器和LVDT变位计，用于测量试件在实验过程中所受荷载和上下边界发生的位移，并将测量结果传送到伺服控制单元。

本发明还可以包括伺服控制单元，根据用户指令和所述荷载和位移测控单元测量结果控制加载油缸荷载和位移。

本发明还可以包括导向测量装置，固定在门式框架上，其表面标有刻度，用于测量冲击重块的高度，并且防止冲击重块下落时发生偏斜。

本发明还包括支撑导轨，固定在底座上，其作用是在实验前托住试件加载盒，在实验过程中防止试件加载盒发生偏斜。

本发明还可以包括防护装置，用于防止冲击重块倾倒或岩样试件崩解时可能造成的危险。

本发明的试验方法是：

1）制作类梯形试件，将其放入试件加载盒，将试件加载盒安装就位，固定反力钢绞线；

2）通过加载油缸对试件加载盒加载，使试件达到要求的应力状态，然后保持；

3）调整冲击重块的高度和重量，然后释放冲击重块，对试件加载盒进行冲击；

4）提起冲击重块，卸去加载油缸压力，卸下反力钢绞线，卸开试件加载盒，取出试件，记录分析试件的破坏情况。

本发明的原理是：

深埋隧洞围岩的受力、变形和破坏问题可以近似认为是轴对称问题，因此，取其一部分（即本发明所述类梯形试件）进行试验即可反映围岩整体的性质；由于本发明仅取围岩的一部分进行分析，相对于现有全断面模型试验装置，可以开展超大比例尺的模型试验。

本发明通过加载油缸和反力钢绞线对试件施加压力，使其处于高应力状态下，在这个过程中反力钢绞线有一定弹性伸长；通过冲击重块对试件施加冲击荷载，以模拟采空区覆岩断裂导致的应力波对巷道的冲击，由于反力钢绞线为柔性材料，不会像常规刚性立柱一样对冲击荷载造成影响（支撑效应），实现了让试件在特定的荷载条件下承受冲击荷载的目标；试件在高应力及冲击扰动条件下破坏，其强度降低并发生一定位移，在这个过程中反力钢绞线瞬间收缩，对试件迅速进行补充加载，即补充能量，模拟了外部围岩对煤岩体的进一步挤压做功。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：

图1为本发明的力学原理图；

图2为本发明的主体结构示意图。

具体实施方式

结合附图1，本发明采用局部试件的原理在于，深埋隧洞围岩的受力、变形和破坏问题可以认为是轴对称问题；对于轴对称问题，可以取其一部分，即本发明所述类梯形试件4，进行试验即可反映围岩整体的性质。

结合附图2，一种深埋隧洞冲击地压模拟试验系统，其特征在于，包括试件加载盒、类梯形试件4、加载油缸5、液压泵站（未示出）、底座6、反力钢绞线7、支撑导轨8、门式框架9、冲击重块10、提升装置11、导向测量装置12。

所述的试件加载盒，包括U型槽1、三棱柱垫块2、加载垫块3、侧挡板（未示出）；U型槽1为整体结构，包括底板和两个侧壁；三棱柱垫块2两个直角面分别与U型槽1的底板和侧壁内表面接触，其斜面倾角与类梯形试件两个斜面倾角匹配；加载垫块3下表面为圆弧形与类梯形试件4上表面接触，其上半部分向两侧延伸，并在两侧设有竖直通孔以便固定反力钢绞线7；侧挡板固定在U型槽1的前后两侧，其作用在于防止类梯形试件发生轴向变形，以满足平面应变状态的要求。

所述的类梯形试件4，上下表面为同轴圆弧面，左右侧面的延伸线通过上述圆弧面的轴线，前后侧面垂直于水平面，左右侧面与三棱柱垫块2斜面接触，前后侧面与侧挡板内表面接触，四个侧面均涂有润滑材料，以减小其受到的剪应力。

所述的加载油缸5，一端支撑在底座6上，另一端对试件加载盒施加压力；所述的液压泵站与加载油缸5相连，为其提供油压。

所述的反力钢绞线7，共有两排，其中任意一条的一端固定在底座6上，另一端通过卡具固定在试件加载盒的加载垫块3上。

所述的支撑导轨8，固定在底座6上，其作用是在实验前托住试件加载盒，在实验过程中防止试件加载盒发生偏斜。

所述的冲击重块10，用于对岩样试件施加冲击荷载，其重量和高度均可调节，其轴心与加载垫块3中心在同一条竖直线上。

所述的提升装置11，固定在门式框架9上，用于提起和释放冲击重块。

所述的导向测量装置12，固定在门式框架9上，其表面标有刻度，用于测量冲击重块的高度，并且防止冲击重块下落时发生偏斜。

以上所述实施例，只是本发明较优选的具体的实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种深埋隧洞冲击地压模拟试验系统，其特征在于，包括试件加载盒、类梯形试件、加载油缸、液压泵站、底座、反力钢绞线、门式框架、冲击重块和提升装置；

所述的试件加载盒，包括U型槽、三棱柱垫块、加载垫块、侧挡板；U型槽为整体结构，包括底板和两个侧壁；三棱柱垫块两个直角面分别与U型槽的底板和侧壁内表面接触，其斜面倾角与类梯形试件两个斜面倾角匹配；加载垫块下表面为圆弧形与类梯形试件上表面接触，两侧设有竖直通孔；侧挡板固定在U型槽的前后两侧；

所述的类梯形试件，上下表面为同轴圆弧面，左右侧面的延伸线通过上述圆弧面的轴线，前后侧面垂直于水平面，左右侧面与三棱柱垫块斜面接触，前后侧面与侧挡板内表面接触，四个侧面均涂有润滑材料；

所述的加载油缸，一端支撑在底座上，另一端对试件加载盒施加压力；

所述的冲击重块，用于对岩样试件施加冲击荷载，其重量和高度均可调节；

2.根据权利要求1所述的一种深埋隧洞冲击地压模拟试验系统，其特征在于，包括荷载和位移测量单元。

3.根据权利要求1所述的一种深埋隧洞冲击地压模拟试验系统，其特征在于，包括伺服控制单元。

4.根据权利要求1所述的一种深埋隧洞冲击地压模拟试验系统，其特征在于，包括导向测量装置，固定在门式框架上，其表面标有刻度。

5.根据权利要求1所述的一种深埋隧洞冲击地压模拟试验系统，其特征在于，包括支撑导轨，固定在底座上。

6.根据权利要求1所述的一种深埋隧洞冲击地压模拟试验系统，其特征在于，包括防护装置。

7.如权利要求1-6任一所述的深埋隧洞冲击地压模拟试验系统的实验方法，其特征在于：

第一步：制作类梯形试件，将其放入试件加载盒，将试件加载盒安装就位，固定反力钢绞线；

第二步：通过加载油缸对试件加载盒加载，使试件达到要求的应力状态，然后保持；

第三步：调整冲击重块的高度和重量，然后释放冲击重块，对试件加载盒进行冲击；

第四步：提起冲击重块，卸去加载油缸压力，卸下反力钢绞线，卸开试件加载盒，取出试件，记录分析试件的破坏情况。